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Kleine Studienarbeit

�Qualitativer Vergleich zwischen

Ein- und Zweischraubern am

Beispiel von Gastankern�

Florian Kemper

Matrikelnummer: 30427

8. Juli 2008

Betreuung: Prof.Dr.-Ing. S. Krüger

In Zusammenarbeit mit �Marine Service GmbH�

Erklärung

Hiermit versichere ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig verfassthabe.Hamburg, den 8. Juli 2008Florian Kemper

�[email protected] 1

TABELLENVERZEICHNIS

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung 2

2 Vorstellen der Vergleichsdaten 3

3 Vergleich der Antriebsleistungen 33.1 Vorstellen der durchgerechneten Varianten . . . . . . . . . . . 33.2 Erläuterung des Prognoseverfahrens . . . . . . . . . . . . . . . 63.3 Widerstand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.4 Propulsionsgütegrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3.4.1 Schi�sein�ussgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.4.2 Gütegrad der Anordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . 83.4.3 Propulsorfreifahrtwirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . 9

3.5 Power delivered . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4 Vergleich der Qualität des Nachstromfeldes 124.1 Bedeutung des Nachstromfeldes . . . . . . . . . . . . . . . . . 124.2 Funktionsweise des Propellers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134.3 Bewertungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144.4 Qualitätswerte und Vergleich mit anderen Schi�en . . . . . . . 15

5 Schub- und Drehmomentschwankungen 175.1 Wirbel-Gitter-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175.2 Nachstromfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175.3 Modellierung der Propeller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185.4 Durchgeführte Kombinationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

5.4.1 Zweischrauber mit 5-�ügligem Propeller (twin5) . . . . 185.4.2 Zweischrauber mit 4-�ügligem Propeller (twin4) . . . . 215.4.3 Einschrauber mit 5-�ügligem Propeller (single5) . . . . 245.4.4 Einschrauber mit 4-�ügligem Propeller (single4) . . . . 25

5.5 Übersicht über die Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

6 Zusammenfassung der Ergebnisse 28

Tabellenverzeichnis

1 Hauptdaten der vorhandenen Vergleichsschi�e . . . . . . . . . 42 Daten der Propeller der Vergleichsschi�e . . . . . . . . . . . . 43 Hauptdaten der verschiedenen Varianten . . . . . . . . . . . . 54 Vergleich der Schleppleistungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 8


ABBILDUNGSVERZEICHNIS

5 Vergleich des Schi�sein�ussgrades . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Vergleich des Gütegrades der Anordnung . . . . . . . . . . . . 87 Vergleich des Propulsorfreifahrtwirkungsgrades . . . . . . . . . 98 Schubbelastungsgrad und Fortschrittsgrad . . . . . . . . . . . 99 Gütegrade der Propulsion und Propellerdrehleistungen . . . . 1110 Bewertung der Güte der Nachstromfelder . . . . . . . . . . . . 1611 Übersicht über die Schwankungen des Schubes und des Dreh-

momentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Abbildungsverzeichnis

1 Propulsorfreifahrtwirkungsgrade von Zwei- und Einschraubermit den zugehörigen Fortschrittsgraden . . . . . . . . . . . . . 10

2 Vergleich der Propellerdrehleistungen über dem Displacement 123 Nachstromfeld des Zweischraubers (links) und des Einschrau-

bers (rechts); die Propellerdurchmesser sind schwarz einge-zeichnet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4 Anströmverhältnisse am Propeller�ügel . . . . . . . . . . . . . 145 Berechnetes Freifahrtdiagramm des originalen 5-Flüglers . . . 196 Gemessenes Freifahrtdiagramm des originalen 5-Flüglers . . . 207 Schub des originalen 5-Flüglers des Zweischraubers (twin5) . . 208 Moment des originalen 5-Flüglers des Zweischraubers (twin5) . 219 Schub des 4-�ügligen Propellers des Zweischraubers, mit bis

auf die Flügelzahl unveränderter Geometrie . . . . . . . . . . . 2210 Schub des 4-�ügligen Propellers des Zweischraubers mit ver-

gröÿerter Steigung gegenüber twin5 (twin4) . . . . . . . . . . . 2311 Moment des 4-�ügligen Propellers des Zweischraubers mit ver-

gröÿerter Steigung (twin4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2312 Schub des 5-�ügligen Propellers des Einschraubers (single5) . . 2413 Moment des 5-�ügligen Propellers des Einschraubers (single5) 2514 Schub des 4-�ügligen Propellers des Einschraubers mit unver-

änderter Flügelgeometrie gegenüber single5 . . . . . . . . . . . 2615 Schub des 4-�ügligen Propellers des Einschraubers mit vergrö-

ÿerter Steigung (single4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2616 Moment des 4-�ügligen Propellers des Einschraubers mit ver-

gröÿerter Steigung (single4) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27


1 EINFÜHRUNG

1 Einführung

Sowohl Containerschi�e als auch LNG-Tanker sind in den letzten Jahren inihrer maximalen Gröÿe deutlich gestiegen. Die �Emma Maersk", ein Con-tainerschi� der neuesten Generation, trägt beispielsweise 12.000 bis 13.000TEU. Sie hat eine Länge von 398m und eine Breite von 56m. Vor einigenJahren waren die gröÿten Containerschi�e noch weit entfernt von diesen Di-mensionen.Bei LNG-Tankern galt bis vor kurzem noch ein Laderaumvolumen von190.000m3 und eine Länge von ca. 280m als obere Grenze. Derzeit be�n-den sich auf koreanischen Werften jedoch Schi�e mit Laderaumvolumina von216.000m3 und 266.000m3 im Bau. Die gröÿeren Schi�e, die sogenannte "Q-Max Serie", haben eine Länge von 332m. Diese neuen Gröÿendimensionenerfordern z.T. neue Antriebskonzepte.LNG-Tanker haben als besondere Entwurfsrandbedingung einen maximalenTiefgang von ca. 12m, der durch die weltweit angefahrenen LNG-Terminalsgegeben ist. Durch den maximalen Tiefgang ist auch der maximale Propel-lerdurchmesser festgelegt. Bei gleichbleibendem Propellerdurchmesser wirdes jedoch schwierig, steigende Leistung zu übertragen. Durch das extremeBreiten-/Tiefgangsverhältnis (im Fall der "Q-Max Serie"B/T = 4, 48) bietetsich daher eine Zweischrauben-Antriebsanlage an. Die im Bau be�ndlichenSchi�e besitzen eine solche Antriebsanlage in Form von sogenannten "Twin-Skeg Rump�ormen". Im Vergleich zu Zweischraubern mit �achem Hinter-schi� und Wellenböcken bieten diese etwas mehr Verdrängung. Zudem fälltdadurch der Centerskeg weg.Eine wesentliche Rolle spielt hierbei auch die Redundanz. Gastanker, die mitVerbrennungsmotoren ausgerüstet sind, benötigen nach Vorschrift ohnehineine doppelte Ausführung der Maschinenanlage, die unter Umständen aufzwei voneinander getrennte Maschinenräume verteilt sein muss. Daher hatdie Zweischrauben-Kon�guration nur bedingt Ein�uss auf die Auslegung derMotorenanlage.Im Fall der Containerschi�e ist es so, dass sämtliche Komponenten wie Pro-peller, Motor oder Welle an der Grenze der Verfügbarkeit liegen. Die �Emma-Maersk"besitzt eine 14-Zylinder Maschine mit 980mm Kolbendurchmesser.Sie leistet 80.080kW und es ist der gröÿte Motor, den es derzeit auf demMarkt gibt.Auch die Redundanz sollte hier eine Rolle spielen, wenn man bedenkt wasfür ökologische und �nanzielle Folgen ein Ausfall der einfach ausgeführtenAntriebsanlagen haben könnte.Aus diesen Gründen lohnt es sich auch bei Containerschi�en, Zweischrau-benkon�gurationen in Betracht zu ziehen.


3 VERGLEICH DER ANTRIEBSLEISTUNGEN

Es hat sich schon angedeutet, dass Twin-Skeg Schi�e gute Eigenschaften bzgl.Widerstand und Propulsion besitzen. Hierzu soll im ersten Aufgabenteil einVergleich gezogen werden. Allerdings sind bei solchen Schi�en in der Vergan-genheit vermehrt Schwingungsprobleme aufgetreten. Deshalb wird im zwei-ten Aufgabenteil die Qualität des Nachtromfeldes bewertet, und im drittenAufgabenteil werden Ein- und Zweischraubenkonzepte hinsichtlich der pro-pellererregten Schub- und Drehmomentschwankungen in der Wellenleitunguntersucht. Zudem wird dies für unterschiedliche Flügelzahlen durchgeführt,da sich hier noch kein deutliches Optimum herrausgestellt hat.

2 Vorstellen der Vergleichsdaten

Für die Berechnungen standen Daten von zwei Schi�en zur Verfügung:

1. Der Bericht einer Modellversuchsanstalt über einen Twin-Skeg LNGTanker mit ca. 266.000m3 Ladevolumen.Enthalten waren darin Ergebnisse aus Widerstandsversuch, Propul-sionsversuch, Propellerfreifahrtversuch, die zugehörigen Groÿausfüh-rungsprognosen und eine Nachstrommessung. Auÿerdem waren Teileder verwendeten Propellergeometrie gegeben (siehe Kapitel 5).

2. Teile des Berichtes derselben Versuchsanstalt wie in 1. über einen Ein-schrauber mit ca. 155.000m3 Laderaumvolumen. Enthalten waren darinErgebnisse aus Widerstandsversuch, Propulsionsversuch, Propellerfrei-fahrtversuch sowie eine Nachstrommessung.

Die Hauptdaten der beiden Schi�e sind in Tabelle 1 angegeben. Die Datender zugehörigen Propeller sind in Tabelle 2 angegeben.Au�ällig bei diesen Abmessungen ist (wie schon in Kapitel 1 angedeutet),dass sich fast nur die Länge und Breite unterscheiden, während sich derTiefgang nur unwesentlich ändert.

3 Vergleich der Antriebsleistungen

3.1 Vorstellen der durchgerechneten Varianten

Basierend auf den vorhandenen Schi�en wurden einige Varianten durchge-rechnet. Es wurde dabei geometrische Ähnlichkeit eingehalten. Die Varian-



Schi� Twinskeg Einschrauber

Scale factor λ [-] 42,105 38,444Length Lpp [m] 332,00 278,00Length LWL [m] 334,07 274,63Draft T [m] 12,00 11,60Beam B [m] 53,80 43,35Wetted surface SHull [m2] 22326 15279Proj. area above water line AT [m2] 1689 1165Displacement 5 [m3] 170649 108938Cargo volume [m3] 266000 155000

Tabelle 1: Hauptdaten der vorhandenen Vergleichsschi�e

Schi� Twinskeg Einschrauber

Number of propellers 2 1Number of blades 5 5Rotation direction inwards rightDiameter D [m] 7,700 8,650Pitch ratio (P/D)0,75R [-] 0,947 0,817Chord length c0,75R [m] 1,83 2,211Maximum thickness t0,75R [m] 0,087 0,108

Tabelle 2: Daten der Propeller der Vergleichsschi�e

ten, mit den de�nierten Bezeichnungen in Klammern gesetzt, sind folgende:

• Groÿausführungsprognose Twin-Skeg original (twin266)

• Groÿausführungsprognose Einschrauber, skaliert auf gleiche Verdrän-gung wie twin266 (single266)

• Groÿausführungsprognose Twin-Skeg, skaliert auf gleiche Verdrängungwie der originale Einschrauber single155 (twin155)

• Groÿausführungsprognose Einschrauber original (single155)

Auf diese Weise hat man zwei Schi�sgröÿen (bzgl. Verdrängung), bei denenjeweils für einen Schi�styp Versuchsdaten vorliegen. Dadurch erhält man einetwas erweitertes Bild, als wenn man nur ein Schi� auf die Gröÿe des anderenSchi�es skalieren würde.Auÿerdem wird später noch ein Zusammenhang zwischen Leistung und Dis-placement erstellt. Hierfür wurde noch jeweils eine Variante gerechnet, deren



Verdrängung 216.000m3 beträgt. Zu dieser Gröÿe gibt es noch weitere Daten,die zum Vergleich herangezogen werden können. Diese beiden Schi�e werdenjedoch nicht in allen Einzelheiten betrachtet, sondern nur im Gesamtzusam-menhang bzgl. der Leistung:

• Groÿausführungsprognose Twin-Skeg mit 216.000m3 (twin216)

• Groÿausführungsprognose Einschrauber mit 216.000m3 (single216)

Die wichtigsten Hauptdaten der unterschiedlichen Varianten lassen sichTabelle 3 entnehmen.Wie man leicht erkennt, haben die Schi�e noch unterschiedliche Abmes-

Schi� twin266 single266 twin155 single155

Scale factor λ [-] 42,105 44,648 36,254 38,444Length Lpp [m] 332,00 322,86 285,86 278,00Length LWL [m] 334,073 318,95 287,65 274,60Draft T [m] 12 13,47 10,33 11,60Beam B [m] 53,80 50,35 46,32 43,35Displacement 5 [m3] 170649 170649 108938 108938

Tabelle 3: Hauptdaten der verschiedenen Varianten

sungen. Insbesondere haben sie unterschiedliche Längen/Breitenverhältnisseund Breiten/Tiefgangsverhältnisse. Das lässt sich aufgrund der Verfügbar-keit der Vergleichsdaten nicht umgehen. In der Gröÿe des Twin-Skeg Schif-fes (twin266) mit 266.000m3 Laderaumvolumen gibt es keine vergleichbarenSchi�e mit einem Einschraubenkonzept. Daher musste auf den deutlich klei-neren Einschrauber zurückgegri�en werden.Es wird jedoch so vorgegangen, dass die Proportionen der Schi�e beibehal-ten werden. Würde man diese ändern, um bei beiden Konzepten die glei-chen Hauptabmessungen zu erhalten, würde die geometrische Ähnlichkeitnicht eingehalten werden, und es wäre nicht mehr gewährleistet, dass dieVersuchsdaten, insbesondere der Restwiderstandsbeiwert, übernommen wer-den könnten.Die im folgenden durchgeführten Berechnungen gelten für eine Geschwindig-keit von v = 19, 5kn, da dies bei beiden Schi�en der Designgeschwindigkeitentspricht. Auch der Ladefall mit den gegebenen Tiefgängen entspricht demDesign-Ladefall.



3.2 Erläuterung des Prognoseverfahrens

Um die benötigte Propellerdrehleistung vorherzusagen, benötigt man folgen-de Modellversuche [1]:

• Widerstandsversuch, bei dem bei verschiedenen Geschwindigkeiten derSchleppwiderstand gemessen wird

• Propulsionsversuch, bei dem das Schi� durch den eigenen Propellerangetrieben wird, und Drehzahl, Drehmoment und Schub abhängig vonder Geschwindigkeit gemessen wird

• Propulsorfreifahrtversuch, bei dem der Propeller in homogener Zuströ-mung arbeitet, und bei dem abhängig von der AnströmgeschwindigkeitSchub und Drehmoment gemessen wird (bei konstanter Drehzahl)

Die Geschwindigkeit wird über die Froudesche Ähnlichkeit berechnet. D.h.das Wellenbild des Modells bei der Geschwindigkeit vm ist in etwa gleich demWellenbild des Schi�s bei der Geschwindigkeit vs. Es gilt:

vs = vm√λ (1)

Der gemessene Widerstand wird durch benetzte Ober�äche, Dichte und Ge-schwindigkeit dimensionslos gemacht. Man erhält den Widerstandsbeiwertdes Modells. Er teilt sich auf in Reibungswiderstandsbeiwert und Restwider-standsbeiwert. Es wird davon ausgegangen, dass der Restwiderstandsbeiwertübernommen werden kann (wegen der Froude Ähnlichkeit), und sich der Rei-bungswiderstandsbeiwert ändert. Der Reibungswiderstandsbeiwert errechnetsich nach der ITTC 1957 folgendermaÿen:

cF0 =0, 075

(logRe− 2)2(2)

Dabei ist Re die Reynoldszahl des Schi�es. Der Reibungswiderstandsbeiwertwird jeweils für Modell und Schi� berechnet.Nun wird für die Groÿausführung noch ein Windwiderstandsbeiwert, hervor-gerufen durch den Fahrtwind, berechnet, der beim Modellversuch wegen dergeringen Windhauptspant�äche und der geringen Geschwindigkeit vernach-lässigt wird.Durch Addition der einzelnen Anteile erhält man den Widerstandsbeiwertfür das Schi�.Aus diesem lässt sich nun die Schleppleistung Pe ermitteln.Die Propulsionsfaktoren lassen sich mit Hilfe aller drei Versuche folgender-maÿen ermitteln:



Die Sogzi�er t wird über den Vergleich zwischen Widerstand aus dem Wider-standsversuch und dem Schub aus dem Propulsionsversuch ermittelt, wobeinoch ein beim Propulsionsversuch aufgebrachter Reibungsabzug berücksich-tigt werden muss. Die Sogzi�er des Modells wird ohne Korrekturen für dieGroÿausführung übernommen, da der Sog hauptsächlich auf Potentiale�ek-ten beruht.Der im Propulsionsversuch gemessene Schub wird durch Dichte, Drehzahlund Propellerdurchmesser dimensionslos gemacht und es ergibt sich darausder sogenannte Schubbeiwert des Propellers. Es wird nun davon ausgegan-gen, dass der Propeller hinter dem Schi� genau dann denselben Schubbeiwertbesitzt wie der Propeller im Propulsorfreifahrtversuch, wenn die Anströmge-schwindigkeit gleich ist. Man nennt dies Schubidentität. Durch dieses Vorge-hen erhält man den Fortschrittsgrad J, in dem die Anströmgeschwindigkeitenthalten ist. Er ist folgendermaÿen de�niert:

J =vanD

(3)

Hierbei ist va die Anströmgeschwindigkeit, n die Drehzahl und D der Pro-pellerdurchmesser.Mit dem bekannten Fortschrittgrad lässt sich die Nachstromzi�er w sowieder Gütegrad der Anordnung bestimmen. Der Gütegrad der Anordnung desModells wird ohne Korrekturen für die Groÿausführung übernommen. DieNachstromzi�er wird noch korrigiert. Die Korrektur ist erforderlich, da derNachstrom hauptsächlich durch Reibungse�ekte entsteht. Die Reibung istbeim Modell jedoch stark überzeichnet. Es wird daher für das Schi� eineneue Nachstromzi�er aus der des Modells berechnet, die etwas kleiner alsbeim Modell ausfällt. Es gehen dabei die Gröÿen Sogzi�er, Rauhigkeit derAuÿenhaut, Formfaktor, der von der Versuchsanstalt angegeben wird, sowiedie Reibungswiderstandsbeiwerte von Modell und Schi� ein.Nun muss noch der Propulsionspunkt ermittelt werden. Dieser liegt dort, wodie Gleichgewichtsbedingung Schub = Widerstand+Sog erfüllt ist [1]. Diesist der Fall, wenn die schi�seitige Belastungskurve die Kurve des propeller-seitigen Schubbeiwertes schneidet. Die schi�seitige Belastungskurve lautetfolgendermaÿen:

kT = J2 · RT

ρD2(1− t)vm2(1− w)2(4)

Mit dem gefundenen Fortschrittsgrad erhält man aus dem Diagramm des Pro-pellerfreifahrtversuchs den Schubbeiwert, den Momentenbeiwert sowie denPropulsorfreifahrtwirkungsgrad.Über das Drehmoment und die Drehzahl lässt sich jetzt die Propellerdreh-leistung PD errechnen.



3.3 Widerstand

Die Widerstände können in Tabelle 4 betrachtet werden. Es ist zu erkennen,dass die Widerstände von Ein- und Zweischrauber noch sehr ähnlich sind.


Widerstand RTs [kN] 2114,42 2126,65 1679,22 1689,86Leistung Pe [MW] 21,21 21,33 16,84 16,95

Tabelle 4: Vergleich der Schleppleistungen

3.4 Propulsionsgütegrade

3.4.1 Schi�sein�ussgrad


Sogzi�er t [-] 0,190 0,219 0,192 0,227Nachstromzi�er w [-] 0,272 0,318 0,273 0,325Schi�sein�ussgrad ηH [-] 1,112 1,144 1,111 1,145

Tabelle 5: Vergleich des Schi�sein�ussgrades

Hier sieht man, dass sowohl Sogzi�er als auch Nachstromzi�er beim Ein-schrauber deutlich gröÿer sind als beim Zweischrauber. Man erhält dadurcheinen Unterschied im Schi�sein�ussgrad von etwa 3% zu Gunsten des Ein-schraubers.

3.4.2 Gütegrad der Anordnung

Tabelle 6 zeigt die Gütegrade der Anordnung. Diese Werte unterscheiden


Gütegrad der AnordnungηR [-]

0,995 1,003 0,994 1,006

Tabelle 6: Vergleich des Gütegrades der Anordnung

sich nicht sehr stark. Es gibt einen Unterschied von ca. 0,7% zu Gunsten desEinschraubers. Dies ist jedoch ein geringer Ein�uss.



3.4.3 Propulsorfreifahrtwirkungsgrad

Beim Propulsorfreifahrtwirkungsgrad zeigen sich groÿe Unterschiede. Er istin Tabelle 7 zu sehen. Der Unterschied im Propulsorfreifahrtwirkungsgradbeträgt ca. 8%. Dies ist eine erhebliche Di�erenz.

Schi� twin266 single266 twin155 single155Propulsorfreifahrtwirkungs-grad ηO [-]

0,694 0,610 0,685 0,600

Tabelle 7: Vergleich des Propulsorfreifahrtwirkungsgrades

In diesem Wert zeigt sich der entscheidende Vorteil des Zweischraubers.Um dies zu verdeutlichen wird in Tabelle 8 (exemplarisch für twin266 undsingle155, da dies die originalen Schi�e sind) noch der Fortschrittsgrad sowieder Schubbelastungsgrad angeführt. Letzterer ist folgendermaÿen de�niert:

cTH =T

v2a · A0 · ρ/2

(5)

Dabei ist T der Schub des Propellers, va die Anströmgeschwindigkeit und A0

die Kreis�äche, die durch den Propellerdurchmesser beschrieben wird.

Schi� twin266 single155

Propellerdurchmesser D [m] 7,7 8,65Anzahl der Propeller [-] 2 1Propellerkreis�äche A0 [m2] 93,13 58,77Anströmgeschwindigkeit va [m/s] 7,305 6,774Schubbelastungsgrad cTH [−] 1,025 1,581Drehzahl n [1/s] 1,424 1,444Fortschrittsgrad [-] 0,666 0,542

Tabelle 8: Schubbelastungsgrad und Fortschrittsgrad

Man erkennt, dass der Einschrauber einen deutlich höheren Schubbelas-tungsgrad aufweist. Da die Anströmgeschwindigkeit im Vergleich zu den an-deren Gröÿen sehr ähnlich ist, bedeutet es, dass mehr Schub auf der vorhan-denen Propellerkreis�äche übertragen werden muss. Dies geschieht dadurch,dass der Propeller bei einem geringeren Fortschrittsgrad arbeitet. Dies er-zeugt durch den vergröÿerten Anstellwinkel mehr Schub und benötigt mehrDrehmoment.



Bei einem niedrigeren Fortschrittsgrad sinkt jedoch auch der Propulsorfrei-fahrtwirkungsgrad, der sein Maximum bei einem höheren Fortschrittsgradhat. Diesen Zusammenhang zeigt Abbildung 1. Es sind die beiden Propul-sorfreifahrtwirkungsgrade über dem Fortschrittsgrad aufgetragen. Auÿerdemsind die Fortschrittsgrade von twin266 (0,666) und single155 (0,542) mar-kiert. In diesem Bereich ist der Propulsorfreifahrtwirkungsgrad monoton stei-gend. Daraus folgt, dass er bei geringerem Fortschrittsgrad ebenfalls geringerwird.Daraus resultiert letztendlich der oben genannte Unterschied von etwa 8%.

0,0000

0,1000

0,2000

0,3000

0,4000

0,5000

0,6000

0,7000

0,8000

0,0000 0,1000 0,2000 0,3000 0,4000 0,5000 0,6000 0,7000 0,8000 0,9000 1,0000

Wirkungsgrad Einschrauber wirkungsgrad ZweischrauberFortschrittsgrad Einschrauber Fortschrittsgrad Zweischrauber

Abbildung 1: Propulsorfreifahrtwirkungsgrade von Zwei- und Einschraubermit den zugehörigen Fortschrittsgraden

3.5 Power delivered

Zusammenfassend werden in Tabelle 9 die Gütegrade der Propulsion und dieresultierende Propellerdrehleistung gegeben. Diese werden auÿerdem in Ab-bildung 2 graphisch über der Verdrängung aufgetragen. Es sind die anfangsvorgestellten Schi�e twin266, single266, twin155, single155, twin216 und sin-gle216 gezeigt. Auÿerdem werden Werte aus einer Studie der "DEAWOO



Shipbuilding and Marine Engineering Co., Ltd.� eingefügt. Diese zeigen eben-falls den Vergleich zwischen Ein- und Zweischraubern unterschiedlicher Grö-ÿe.Die Studie von �DAEWOO� zeigt zwar etwas andere Zahlen, sie geben jedochdie selbe Tendenz an.Es zeigt sich sowohl aus den Groÿprognosen der Modellversuche, als auch ausden anderen o.g. Daten, dass Zweischrauber hinsichtlich der Propulsion denEinschraubern überlegen sind. Die Di�erenz beträgt dabei bis zu 3000kW .Wie schon vorher erwähnt, steckt der gröÿte Unterschied im Propulsorfrei-fahrtwirkungsgrad.Es ist sicher noch kritisch zu sehen, dass die miteinander verglichenen Schi�eunterschiedliche Hauptabmessungen haben. Jedoch ist der Unterschied in derLeistung recht deutlich. Auÿerdem ist man beispielsweise im Falle des ver-gröÿerten Einschraubers (single266) auf der sicheren Seite, da der Propeller-durchmesser ebenfalls hochskaliert wurde, und daher etwas zu groÿ ausfällt.Durch diese Tatsache wird die Leistung eher etwas zu gering kalkuliert.Im Allgemeinen entsprechen die Ergebnisse aber den Erwartungen und de-cken sich mit der Theorie.

Schi� twin266 single266 twin155 single155Gütegrad der Propulsion ηD 0,768 0,700 0,756 0,692Propellerdrehleistung PD[MW]

27,627 30,478 22,278 24,503

Tabelle 9: Gütegrade der Propulsion und Propellerdrehleistungen


4 VERGLEICH DER QUALITÄT DES NACHSTROMFELDES

P_D über Displacement

twin155, twin216 und twin266

single155, single216 und single266

Daewoo twinskeg

Daewoo singlescrew

20

22

24

26

28

30

32

34

36

100.000 110.000 120.000 130.000 140.000 150.000 160.000 170.000 180.000

[m³]

[MW]

twin155, twin216 und twin266 single155, single216 und single266 daewoo twinskeg daewoo singlescrew

Abbildung 2: Vergleich der Propellerdrehleistungen über dem Displacement

4 Vergleich der Qualität des Nachstromfeldes

4.1 Bedeutung des Nachstromfeldes

Beim Nachstrom wird generell unterschieden zwischen nominellem und e�ek-tivem Nachstrom [1]. Der e�ektive Nachstrom wird aus den Modellversuchengewonnen. Er gibt den Unterschied zwischen dem Propellerverhalten hinterdem Schi� und der Propellerfreifahrt an. Er wird ausgedrückt in der Nach-stromzi�er w (siehe auch Kapitel 3).Der nominelle Nachstrom wird im Modellversuch bei fahrendem Schi� oh-ne Propeller in der Propellerebene gemessen. Es wird die dreidimensionaleGeschwindigkeit auf 24 oder 36 Winkeln und auf 4 bis 7 Radien (je nachVersuchsanstalt) erfasst. Im Folgenden ist der nominelle Nachstrom gemeint.Abbildung 3 zeigt die Nachstromfelder der vorhandenen Vergleichsschi�e.Die Graphik stellt die relative lokale Anströmgeschwindigkeit va

vsin der Pro-

pellerebene relativ zur Schi�sgeschwindigkeit dar.

Das Nachstromfeld bildet die Grundlage für den gesamten Propellerent-wurf. Die Qualität des Nachstromfeldes hat einen wesentlichen Ein�uss aufdie vom Propeller erregten Vibrationen. Sie entstehen sowohl durch Schwan-



Abbildung 3: Nachstromfeld des Zweischraubers (links) und des Einschrau-bers (rechts); die Propellerdurchmesser sind schwarz eingezeichnet

kungen des Schubes und des Drehmomentes, als auch durch Druckimpulsean der Auÿenhaut.

4.2 Funktionsweise des Propellers

Um zu verstehen, wie die Schwankungen zustande kommen, muss zunächstdie Funktionsweise des Propellers betrachtet werden. Hierzu ist in Abbildung4 der Schnitt eines Flügels eines Propellers gezeigt.Hierbei ist β der hydrodynamische Steigungswinkel. Für ihn gilt:

tan(β) =vA

2 · π · r · n(6)

Der Anstellwinkel des Pro�ls gegen die Fahrtrichtung wird durch den Winkelδ beschrieben. Für ihn gilt:

tan(δ) =P

2πr(7)

Die Di�erenz dieser beiden Winkel ist der Winkel α, unter dem das Pro�ldurch das umgebende Fluid angeströmt wird.Während der Winkel δ durch die Geometrie des Propellers vorgegeben wird,ist der Winkel β abhängig von der Anströmgeschwindigkeit va, sowie vomRadius r und der Propellerkreisfrequenz ω.



P

2 · π · r

δ

2 · π · r · n

va

v

β

α

1

Abbildung 4: Anströmverhältnisse am Propeller�ügel

Es treten neben diesen Gröÿen auch noch tangentiale und propellerinduzier-te Anteile auf. Diese werden in diesem Abschnitt zur Vereinfachung jedochausgelassen. In dem Verfahren, das in 4.3 erläutert wird, sind diese Anteileaber berücksichtigt.Der Auftrieb und der Widerstand des Flügels entsprechen beim gesamtenPropeller dem Schub und dem Drehmoment. Dadurch wird deutlich, warumeine lokale Veränderung der Anströmgeschwindigkeit in der Propellerebeneeinen groÿen Ein�uss auf das Vibrationsverhalten des Schi�es hat.

4.3 Bewertungsverfahren

Das verwendete Verfahren zur Bewertung der Qualität des Nachstroms [2] ba-siert auf den Veränderungen des hydrodynamischen Steigungswinkels. Hier-bei werden sowohl Axial-, Radial als auch Tangentialkomponenten des Nach-stroms berücksichtigt.Die Gesamtgüte des Nachstromfeldes wird in einen Umfangsgütegrad undeinen radialen Gütegrad unterteilt. Er lautet:

ηN = ηR · ηU (8)

Die einzelnen Komponenten ergeben sich wie folgt:



• Radialer Gütegrad:ηR = 1−

√Dβ′m · dβ′m (9)

Hierbei steht Dβ′m für die Di�erenz aus dem gröÿten und dem kleinstenauftretenden Wert der mittleren radialen Anstellwinkel.Der Wert dβ′m steht für die mittlere Abweichung der radialen Anstell-winkel.Diese beide Werte müssen nun noch über alle Messradien integriertwerden.

• Umfangsgütegrad:

ηU = 1−

√√√√∆β′ · (dβdϕ

)max (10)

Beim Umfangsgütegrad werden die verwendeten Anstellwinkelschwan-kungen und -gradienten zusätzlich noch durch den dimensionslosenPropellerradius r

Rgewichtet.

Hier beschreibt der Wert ∆β′ Das Integral der maximalen Anstellwin-kelunterschiede über die Radien.Der Wert ( dβ

dϕ)max beschreibt das Integral der maximalen Anstellwin-

kelgradienten über die Radien.

Die vollständige Herleitung des Verfahrens lässt sich in [2] nachlesen.

4.4 Qualitätswerte und Vergleich mit anderen Schi�en

Die in Kapitel 4.3 angegebenen dimensionslosen Gröÿen zur Bewertung derQualität des Nachstromfeldes sind für die vorhandenen Nachstromfelder desZweischraubers und des Einschraubers in Tabelle 10 gegeben.

Hier ist zu sehen, dass der Einschrauber einen etwas besseren Wert hatals der Zweischrauber.In [2] sind einige Werte gegeben, mit denen man die beiden Werte absoluteinordnen kann. Die untersuchten Zweischrauber sind jedoch bis auf zweiAusnahmen nicht in Twin-Skeg-Ausführung, sondern besitzen Wellenböcke.Daher ist es zweckmäÿig, die Werte mit denen der Einschrauber zu verglei-chen, wie es in [2] ebenfalls getan wurde. Die Grenze für gute bzw. schlechteGütegrade wurde basierend auf vorherigen Ergebnissen der SVA Potsdamzu 0,62 gesetzt. Entsprechend liegt der Einschrauber knapp darüber, derZweischrauber knapp darunter. Damit liegen sie jedoch in der vorhandenenAuswahl aus Container-Schi�en, Bulkern, Tankern und RoRo-Schi�en in der



Schi� Zweischrauber Einschrauber

Dβ′m 0,231 0,208dβ′m 0,066 0,054ηR 0,877 0,894∆β′ 0,579 0,575

( dβdϕ

)max 0,189 0,138ηU 0,669 0,718

ηN 0,587 0,642

Tabelle 10: Bewertung der Güte der Nachstromfelder

besseren Hälfte. Die beiden in [2] untersuchten Twin-Skeg-Varianten habenäuÿerst schlechte Werte von 0,205 und 0,375.Um aber eine quali�ziertere Aussage über die absolute Güte des Nachstromszu tre�en wäre es notwendig, weitere LNG-Tanker im Vergleich zu haben.Daher liegt hier der Hauptaugenmerk auf dem Vergleich der beiden Schi�emiteinander.Es wird in Kapitel 5 nocheinmal auf diese Ergebnisse eingegangen werden.


5 SCHUB- UND DREHMOMENTSCHWANKUNGEN

5 Schub- und Drehmomentschwankungen

Wie in Kapitel 5 schon erwähnt, bekommt der Propeller ein ungleichförmigesNachstromfeld, in dem er arbeiten muss. Die über den Umfang ungleichför-mige Anströmgeschwindigkeit sowie die tangentiale Komponente im Zustrombewirken ständige Schwankungen des Anstellwinkels. Auf den einzelnen Flü-gel bewirken diese eine Veränderung des Widerstands und des Auftriebs. Be-trachtet man den ganzen Propeller entsprechen diese Veränderungen Schwan-kungen des Drehmoments und des Schubes.Um dies zu erfassen, wird eine Rechnung mit einem sog. Wirbel-Gitter-Verfahren (Vortex-Lattice Method) durchgeführt. Das Verfahren soll im Fol-genden kurz erläutert werden.

5.1 Wirbel-Gitter-Verfahren

Das Wirbel-Gitter-Verfahren beruht auf der Potentialtheorie [4]. In der Po-tentialtheorie wird der Strömungsbereich als inkompressibles, reibungs- undrotationsfreies Fluid angenommen.Zur Berechnung des Auftriebs eines Flügels werden Quellen, Senken sowieWirbel auf dem Pro�l platziert. Hierbei simulieren die Quellen und Senkendie Form des Pro�ls, die Zirkulationen der Wirbel modellieren die auftriebs-erzeugenden E�ekte. Für diese Singularitäten sind einfache analytische Lö-sungen bekannt, die anschlieÿend überlagert werden. Die Berechnung dieserGröÿen erfolgt durch Aufstellen und Einhalten der Randbedingungen.Das Verfahren lässt sich hier anwenden, da der Auftrieb eines Flügelpro�lshauptsächlich durch Potentiale�ekte hervorgerufen wird. Da alle Geschwin-digkeitskomponenten erfasst werden, lassen sich auch die instationären Be-rechnungen im Nachstromfeld durchführen.Das Verfahren ist implementiert in E4. Dies ist ein schi�bauliches Entwurfs-programm, mit dem die Berechnungen durchgeführt werden. Genauere Be-schreibungen des Verfahrens lassen sich in [4] oder [3] wieder�nden.

5.2 Nachstromfeld

Um die instationäre Rechnung durchzuführen wird das Nachstromfeld desjeweiligen Schi�es benötigt. Die vorhandenen Nachstromfelder wurden in ei-nem Modellversuch gemessen. Es gibt vier Messradien, auf denen die drei-dimensionalen Geschwindigkeiten in 15◦-Schritten gemessen wurden. DieseGeschwindigkeiten liegen mit ihren jeweiligen einzelnen Komponenten tabel-larisch und graphisch vor (siehe Abbildung 3).



5.3 Modellierung der Propeller

Um das Verfahren anzuwenden, benötigt man das Modell des Propellers. DerPropeller wird folgendermaÿen modelliert:Es gibt über den gesamten Propellerradius 12 Radien, zu denen jeweils einPro�lschnitt de�niert wird. Der Pro�lschnitt wird de�niert durch die Art desPro�ls (z.B. NACA), die maximale Dicke, die Wölbungstiefe und die Sehnen-länge. Anhand dieser Parameter werden die Dicken-Koordinaten des Pro�lsüber die relative Länge erstellt. Die einzelnen Pro�lschnitte liegen auf derErzeugenden (Generator Linie). Durch diese ergibt sich auÿerdem die Rück-lage (Skew). Hinzu kommt noch die Verdrehung des Flügels, die über dieSteigung der einzelnen Schnitte beschrieben wird. Natürlich muss auch dieFlügelanzahl bekannt sein.Die Grundlage für den Propeller, der bei den Rechnungen verwendet wird,bilden die Daten desjenigen Propellers, der im Modellversuch des Zweischrau-bers verwendet wurde. Vorhanden waren hierbei die Gröÿen Propellerdurch-messer, Nabendurchmesser, Flächenverhältnis sowie Steigung, Sehnenlängeund maximale Dicke der einzelnen Schnitte. Die Art des Pro�ls und die Wöl-bungstiefe sind nicht vorhanden.

5.4 Durchgeführte Kombinationen

Die Berechnung der Schwankungen sollen für folgende Kombinationen durch-geführt und verglichen werden:

• Nachstromfeld des Zweischraubers mit 5-�ügligem Propeller (twin5)

• Nachstromfeld des Zweischraubers mit 4-�ügligem Propeller (twin4)

• Nachstromfeld des Einschraubers mit 5-�ügligem Propeller (single5)

• Nachstromfeld des Einschraubers mit 4-�ügligem Propeller (single4)

Es wurden 4- bzw. 5-�üglige Propeller gewählt, da dies derzeit die gän-gigen Flügelzahlen sind. Diese werden jeweils am Ein- und Zweischrauberuntersucht. Die Rechenfälle bzw. die Namensgebung ist nicht mit den Fällenaus Kapitel 3 zu verwechseln. Hier wurden nur die beiden originalen Schi�everwendet, mit jeweils zwei verschiedenen Propellern.

5.4.1 Zweischrauber mit 5-�ügligem Propeller (twin5)

Propellermodellierung Da kein Pro�ltyp gegeben ist, wurde dieser zu ei-nem NACA16a08 gewählt. Dieses Pro�l besteht aus einer NACA16-Tropfenform.



Zusätzlich fällt die Wölbung der Skelettlinie ab x/c = 0, 8 linear bis auf nullab. Es ist bei Propellern ein sehr häu�g verwendetes Pro�l.Um die Wölbungstiefe zu ermitteln, wird eine Zeichnung des Flügels vergrö-ÿert, aus der die Wölbung nun ausgemessen wird. Der Verlauf der Wölbungüber den Radius wird anschlieÿend noch gestraakt, um keine Sprünge zu be-kommen.Nun verwendet man das Programm Xfoil. Mit diesem Programm lassen sichdie Koordinaten der Pro�lober�äche erzeugen, wenn man die o.g. Parame-ter eingibt. Nun hat man die Pro�lschnitte für 12 Radien. All diese Datenwerden in eine sogenannte p�-Datei eingegeben, die anschlieÿend in E4 ein-gelesen werden kann.

Berechnung Für diesen Propeller wird nun das Freifahrtdiagramm be-rechnet. Aus dem Modellversuch liegt auÿerdem das gemessene Freifahrtdia-gramm vor. Die Abbildungen 5 und 6 zeigen den Vergleich dieser beiden.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

KT

, 10K

Q, E

ta

Advance coefficient J[-]

KT, 10KQ, Eta

P043 : KT P043 : 10KQ P043 : eta

Abbildung 5: Berechnetes Freifahrtdiagramm des originalen 5-Flüglers

Betrachtet man die Abbildungen 5 und 6, so stellt man fest, dass sie gutübereinstimmen. Daher wird davon ausgegangen, dass das Rechenverfahrenfür die folgende Bewertung hinreichend genau ist.Nun lässt sich die instationäre Rechnung durchführen, bei der der Propellerim Nachstromfeld arbeitet. Die Abbildungen 7 und 8 zeigen den Verlauf desSchubes bzw. des Momentes über den Drehwinkel. Die rote Kurve gilt für



0,0000

0,1000

0,2000

0,3000

0,4000

0,5000

0,6000

0,7000

0,8000

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

K_Tm 10K_Qm eta_0

Abbildung 6: Gemessenes Freifahrtdiagramm des originalen 5-Flüglers

einen einzigen Flügel, die schwarze stellt die Überlagerung aller Flügel dar.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Thr

ust [

KN

]

Angle [Deg], 00=6o’clock, 90=9o’clock (view from aft)

Thrust vs. Angle

P036 : x-thrus P036 : x-thrus

Abbildung 7: Schub des originalen 5-Flüglers des Zweischraubers (twin5)

Auch hier lässt sich nochmal der Vergleich zu den vorhandenen Wertenziehen. Die Rechnung ergibt einen Schub von 1294kN und ein Moment von



-1600

-1400

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Tor

que

[KN

m]


Torque vs. Angle

P036 : x-torqu P036 : x-torqu

Abbildung 8: Moment des originalen 5-Flüglers des Zweischraubers (twin5)

1438kNm. Aus der Groÿprognose des Modellversuchs liest man einen Schubvon 1314kN und ein Moment von 1557kNm ab. Hier gilt es zu beachten, dassdiese Werte nur für einen Propeller gelten. Bei den Berechnungen für denZweischrauber müssen diese daher noch mit zwei multipliziert werden.Diese Werte zeigen auch wieder eine gute Übereinstimmung.Betrachtet man die Kurven genauer, erkennt man deutlich das Maximum imVerlauf des einzelnen Flügels bei 180◦. Dies entspricht der 12-Uhr Positon imNachstromfeld. Durch die hier verminderte Geschwindigkeit im Nachstrom(siehe Abbildung 3) ergibt sich ein vergröÿerter Anstellwinkel, aus dem eingröÿerer Schub sowie ein ein gröÿeres Moment resultiert.Die Überlagerung der einzelnen Kräfte und Momente ergibt nun eine Schwin-gung, die eine Erregung für das gesamte Schi� darstellt. Die Amplitude be-trägt ca. 50kN bzw. 50kNm.

5.4.2 Zweischrauber mit 4-�ügligem Propeller (twin4)

Propellermodellierung Die Basis für den 4-�ügligen Propeller bietettwin5. Um einen sinnvollen Vergleich herstellen zu können, ist es notwen-dig, dass der Schub beider Propeller in etwa gleich ist. Hierzu könnte manbeispielweise die Parameter Sehnenlänge, Steigung oder Wölbung verändern.Als erste Näherung wird hier die identische Flügelgeometrie verwendet, dieFlügelzahl beträgt vier.



Berechnung Den Verlauf des Schubes zeigt Abbildung 9. Es ergibt sich

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Thr

ust [

KN

]


Thrust vs. Angle


Abbildung 9: Schub des 4-�ügligen Propellers des Zweischraubers, mit bisauf die Flügelzahl unveränderter Geometrie

ein Schub von 1193kN. Dies ist noch etwas weniger als der benötigte Schubvon 1294kNm. Als erster Ansatz wird versucht, die Sehnenlänge der Pro�l-schnitte zu verändern. Dies hat jedoch nur wenig Ein�uss auf den Schub,und man erreicht nicht die notwendige Gröÿe. Eine andere Möglichkeit ist es,die Wölbung der einzelnen Pro�lschnitte zu vergröÿern. Hierzu müsste manjedoch wieder mit dem Programm Xfoil alle Schnitte einzeln erzeugen, wasinsgesamt zu aufwändig ist, um es hier iterativ zu tun.Daher wird als nächstes versucht, die Steigung zu vergröÿern. Im nächstenVersuch wird die vorhandene Steigung von 7,29m auf 7,60m vergröÿert. DasErgebnis zeigt Abbildung 10. Man erhält einen Schub von 1288kN und einMoment von 1446kNm. Dies stellt eine hinreichende Übereinstimmung mitdem Schub des 5-Flüglers dar.Das entsprechende Moment zeigt Abbildung 11.

Man erkennt hier eine Amplitude von etwa 56kN beim Schub und 53kNmbeim Moment.Au�ällig ist hierbei die deutlich andere Form der Schwingung. Während beidem 5-Flügler eine nahezu sinusförmige Schwingung vorliegt, erhält man



200

400

600

800

1000

1200

1400

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Thr

ust [

KN

]


Thrust vs. Angle


Abbildung 10: Schub des 4-�ügligen Propellers des Zweischraubers mit ver-gröÿerter Steigung gegenüber twin5 (twin4)

-1600

-1400

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Tor

que

[KN

m]


Torque vs. Angle


Abbildung 11: Moment des 4-�ügligen Propellers des Zweischraubers mitvergröÿerter Steigung (twin4)



beim 4-Flügler noch eine Unterschwingung. Diese bildet eine zusätzliche Er-regung mit der doppelten Blattfrequenz.

5.4.3 Einschrauber mit 5-�ügligem Propeller (single5)

Propellermodellierung Für den Einschrauber sind als Daten für den Pro-peller nur die Gröÿen Propellerdurchmesser, Nabendurchmesser, Steigung aufdem Radius 0,75R, Sehnenlänge auf dem Radius 0,75R und maximale Dickeauf dem Radius 0,75R bekannt. Die Werte für die übrigen Radien sowie eineSkizze sind nicht vorhanden. Daher wird folgendermaÿen vorgegangen: AlsBasis dient wieder twin5. Es werden die Pro�lschnitte mit den zugehörigenKoordinaten verwendet. Es werden die Gröÿen Durchmesser, Steigung undSehnenlänge von den Daten von twin5 auf die Daten von single5 skaliert.Siehe dazu auch Tabelle 2

Berechnung Den Verlauf des Schubes zeigt Abbildung 12.

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Thr

ust [

KN

]


Thrust vs. Angle


Abbildung 12: Schub des 5-�ügligen Propellers des Einschraubers (single5)

Der berechnete Schub beträgt 1967kN. Aus der Groÿausführungsprogno-se erhält man einen benötigten Schub von 2162 kN. Dies sind noch ca. 10%Abweichung. Dies liegt daran, dass nicht die vollständige Geometrie des Pro-pellers vorliegt, und man daher viele der Gröÿen von dem anderen Propellerübernehmen muss. Dieser ist jedoch nicht optimiert für den vorliegenden



Fall. Allerdings ist es für diese Anwendung hinreichend genau, da hier nurder Verlauf des Schubes, bzw. des Momentes betrachtet werden soll.Das zugehörige Moment beträgt 2069kNm. Es ist in Abbildung 13 zu sehen.Die Amplitude des Schubes beträgt 140kN und die des Momentes 150kNm.

-2200

-2000

-1800

-1600

-1400

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Tor

que

[KN

m]


Torque vs. Angle


Abbildung 13: Moment des 5-�ügligen Propellers des Einschraubers (single5)

5.4.4 Einschrauber mit 4-�ügligem Propeller (single4)

Propellermodellierung Das Modell des 4-�ügligen Propellers des Ein-schraubers ergibt sich aus single5. Es wird die Geometrie des Flügels über-nommen. Es wird lediglich ein Flügel weggelassen.

Berechnung Der Schub von single4 ist in Abbildung 14 zu sehen.Man erhält einen Schub von 1869kN. Um in etwa den gleichen Schub zu

erhalten wie single5 wird nun wieder die Steigung verändert. Die Steigungbetrug vorher 7,07m. Die Steigung wird nun auf 7,2m vergröÿert. Den Schubzeigt Abbildung 15.



400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Thr

ust [

KN

]


Thrust vs. Angle


Abbildung 14: Schub des 4-�ügligen Propellers des Einschraubers mit unver-änderter Flügelgeometrie gegenüber single5

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Thr

ust [

KN

]


Thrust vs. Angle


Abbildung 15: Schub des 4-�ügligen Propellers des Einschraubers mit ver-gröÿerter Steigung (single4)



Mit der veränderten Steigung beträgt der Schub nun 1952kN. Dies ent-spricht nahezu dem Schub von single5.Das Moment beträgt 2064kNm und die Amplitude 75kNm.Man erkennt in dem Verlauf des Schubes über dem Winkel, dass die Ampli-tude der Schwingung kleiner ist als beim 5-Flügler (single5). Sie beträgt ca70kN.

-2200

-2000

-1800

-1600

-1400

-1200

-1000

-800

-600

-400

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Tor

que

[KN

m]


Torque vs. Angle


Abbildung 16: Moment des 4-�ügligen Propellers des Einschraubers mit ver-gröÿerter Steigung (single4)

5.5 Übersicht über die Ergebnisse

Die Tabelle 11 gibt einen Überblick über die errechneten Werte. Die Wertebeim Zweischrauber wurden jeweils mit zwei multipliziert, so dass sie für dasgesamte Schi� gelten. Die relative Amplitude gibt den Quotient aus Ampli-tude und E�ektivwert in Prozent an.

Betrachtet man die Kurven nur eines Flügels im Nachstrom so erkenntman, dass das Maximum beim Zweischrauber deutlich ausgeprägter ist. BeimEinschrauber hingegen ist kein deutliches Maximum zu erkennen. Auf denersten Blick verwundert diese Tatsache ein wenig. Da in der 12-Uhr Positioneine deutliche Nachstromdelle zu sehen ist, erwartet man auch ein Maximumim Schub- und Momentenverlauf des einzelnen Flügels. Betrachtet man je-doch den Propellerdurchmesser, der in Abbildung 3 schwarz eingezeichnet


6 ZUSAMMENFASSUNG DER ERGEBNISSE

Schi� Zweischrauber Einschrauber

Propeller twin5 twin4 single5 single4Flügelzahl [-] 5 4 5 4

Schub [kN] 2590 2576 1967 1952Amplitude [kN] 100 112 140 70relative Amplitude [%] 3,9 4,3 7,1 3,6

Moment [kNm] 2876 2892 2069 2064Amplitude [kNm] 100 106 150 75relative Amplitude [%] 3,5 3,7 7,2 3,6

Tabelle 11: Übersicht über die Schwankungen des Schubes und des Drehmo-mentes

ist, so sieht man, dass der Nachstrom innerhalb dieses Durchmessers sehr vielhomogener ist. Die Nachstromdelle liegt dadurch nur teilweise innerhalb desPropellerdurchmessers, und zu groÿen Teilen auÿerhalb. Der Propellerdurch-messer wird auch bei der Nachstrombewertung in Kapitel 4 berücksichtigt,bei der der Einschrauber auch den besseren Wert erzielt.In der Überlagerung ergibt sich allerdings ein etwas verändertes Bild. Bei dreider vier Kombinationen ergibt sich eine relative Amplitude im Schub von ca.3,5 bis 4%. Einzig beim Einschrauber mit 5-�ügligem Propeller ergibt sich ei-ne sehr ungünstige Überlagerung. Im Verlauf des Schubes und des Momentesdes Einzel�ügels sind drei leichte Maxima zu erkennen. Diese fallen ziemlichgenau zusammen, so dass eine relative Amplitude von 7,1% entsteht.Zusätzlich ist zu beachten, dass bei der Kombination Zweischrauber mit 4-�ügligem Propeller eine zusätzliche Unterschwingung auftritt. Diese zeigt sichin Form von zwei weiteren Wendestellen während eines Flügeldurchgangs.Diese Tatsache muss bei Schwingungsrechnungen beachtet werden, da einezusätzliche höhere Erregerfrequenz entsteht.

6 Zusammenfassung der Ergebnisse

Nachdem die einzelnen Aspekte untersucht worden sind, zeigt sich insgesamt,dass der Zweischrauber in diesem Segment groÿe Vorteile bietet. Der wesent-liche Punkt ist die Propulsion, bzw. die benötigte Antriebsleistung. Durchden höheren Propulsorfreifahrtwirkungsgrad bei einem niedrigeren Schubbe-lastungssgrad kann erheblich Leistung gespart werden.Wie auch schon in der Einführung erwähnt, wird die Redundanz durch einZweischraubenkonzept verbessert. Auf diesen Punkt wurde in dieser Arbeit


LITERATUR

nicht näher eingegangen. Es ist jedoch eine Tatsache, dass das Schi� selbstbei Ausfall einer Antriebsanlage selbständig weiterfahren kann. Das beinhal-tet im Gegensatz zum Einschrauber auch einen Ausfall der Wellenleitung.Diese Fahrzustände wurden von der Versuchsanstalt ebenfalls getestet.Die Probleme, die durch das Twin-Skeg-Konzept verursacht werden könnten,sind Schwingungen bzw. Vibrationen. Stärkere Schwankungen des Schubesund des Drehmomentes als beim Einschrauber konnten hier jedoch nichtfestgestellt werden. Auch die Flügelzahl des Propellers (in diesem Fall vieroder fünf) ist nicht kritisch. Sie lässt sogar noch Spielraum zur Optimie-rung der Antriebsleistung. Hierzu müsste man die unterschiedlichen Propel-lervarianten noch auf ihre Wirkungsgrade hin untersuchen. Dies wurde hierjedoch nicht betrachtet. Allerdings ist es bekannt, dass Propeller mit gerin-geren Flügelzahlen höhere Wirkungsgrade erzielen können, da die propel-lerinduzierten Geschwindigkeiten die auftriebserzeugenden E�ekte wenigerbeein�ussen. Durch den geringeren Schubbelastungsgrad des Zweischraubersergibt sich die notwendige Freiheit im Propellerentwurf, um die Antriebslei-tung weiter zu verringern.Auÿerdem treten bei geringerem Schubbelastungsgrad weniger Kavitations-probleme auf. Diese erzeugen Druckimpulse an der Auÿenhaut und könnensogar den Propeller beschädigen. Dieser Aspekt wurde jedoch nicht nähervertieft.

Literatur

[1] Stefan Krüger,Grundlagen der Propulsion, Technische Universität Ham-burg Harburg, 2004, Manuskript zur Vorlesung �Widerstand und Propul-sion�

[2] Marc Fahrbach, Bewertung der Güte von Nachstromfeldern, 2004 Di-plomarbeit Technische Universität Hamburg Harburg

[3] Dr. K. Y. Chao und Dr.-Ing. H. Streckwall, Berechnung der Propeller-

umströmung mit einer Vortex-Lattice Methode

[4] Dipl.-Ing. Wilfried Abels, Zuverlässige Prognose propellererregter Druck-schwankungen auf die Auÿenhaut mittels Korrelation direkter Berech-

nung, 2006 Technische Universität Hamburg Harburg


kleine studienarbeit qualitativer vergleich zwischen ein ... · pdf file5 schub- und...

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